地球上最聰明的頭腦里想了些啥？其實你也能弄懂
一說到科學家，恐怕大多數人的第一聯想都是這個名字——愛因斯坦，也都知道這位神人不明覺厲的偉大成就——相對論。
不過很多人對愛因斯坦的印象，只是個不修邊幅的科學怪人，相對論更是個遙不可及的神秘概念，甚至難以分清它到底是科學還是科幻。
那相對論到底是什麼呢？
其實很簡單，如果你待在一位美女身邊，哪怕過了幾小時，你覺得好像只有一分鐘，但如果你待在一個火爐旁邊，就算只有一分鐘，你也覺得好像過了幾小時，這就是相對論。哈哈，別笑，這就是愛因斯坦自己說的原話。雖然是句玩笑，但點出了相對論的精髓：
時間是相對的。
什麼意思？這就得從頭說起了。
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亞里士多德
話說在公元前4世紀，上古大神亞里士多德認為，萬物的自然狀態是靜止的，給物體一個力它才運動起來，力越大運動越快，不給力了它就停了，這和人們日常的經驗是很相符的，因此這個概念被人們深信不疑長達1800多年。1800年有多久？相當於中國的戰國到清朝。
伽利略
終於另一位泰斗伽利略出現了，他在比薩斜塔上舉著一大一小兩個鐵球對前輩的理論發出了挑戰——亞里士多德曾預言，重的鐵球受的重力更大，因此會下落得更快，想想也挺符合直觀感覺的，但伽利略更願意用實驗來說話。
當兩個鐵球同時落地時，人們驚訝得目瞪口呆，無所不知的亞里士多德居然錯了，重的東西和輕的東西原來下落得一樣快。科學也由此迎來了真正意義上的啟航。
在這之前，大多數的科學和哲學、神學是攪和在一起的，科學理論也往往是通過純粹的思維來描述的，在此之後，科學逐漸獨立出來，實驗成為了科學發展的源泉，新理論的提出必須能解釋所有的實驗現象，並且能夠做出一些預言，如果新的實驗現象與預言相符，則被認為是好的理論，否則只不過是偽科學。
這樣看來，科學其實相當脆弱，一個理論就算有再多的實驗成功也只能得到一定程度上的證明，而只要一次實驗失敗就會被推翻，也因此科學可以說是相當勇敢，「可以被證偽」才是真科學的特質。
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牛頓
伽利略的兩個鐵球同時落地實驗，宣告了新科學的誕生，後來牛頓爵士總結了這些新觀點，也就是我們中學所學的牛頓定律——空間是相對的。
空間是相對的怎麼解釋？
簡單來說就是：沒有絕對的靜止，也沒有絕對的運動。
當你乘坐的高鐵行駛在京滬線上，除了有些顛簸，你仍可以像坐在自家的靠背椅上一樣安然地刷著手機，因為相對於車廂來說你是靜止的，但是相對於站在鐵道邊的工人來說，你卻是以300公里的時速在飛奔。
進一步說，工人站在鐵道邊也只是相對於地表是靜止的，別忘了地球的自轉和公轉，他相對於太陽來說還是運動的。
因此，無論說誰是靜止或者運動，都必須先有個參照物。另外，給物體的力不是運動的原因，而只是改變它的運動速度，兩個鐵球的重量不同，但是重力引起的加速度是一樣的，因此下落速度也一樣。
牛頓定律在中學物理課里沒少讓我們吃苦頭，相信不少人還對光滑斜坡上飛馳的各式小木塊們心有餘悸，但它的確在科學史上具有無與倫比的地位。
牛頓定律最重要的貢獻是讓人們擺脫了絕對空間的概念，他給了每個人一把屬於自己的尺子，對同一事物完全可以有不同的看法，你在高鐵上起身去了一趟洗手間，出來後你認為又回到了原來的座位上，但對於站台上送你的朋友來說，你已經從北京奔到了天津。
直到現在，牛頓定律都是現代科學的重要基礎，它對於物體運動規律的描述和預測都相當準確，這包括了我們視線所見的幾乎所有東西，以它為代表的一系列理論也被稱為經典物理學。但天下武功，唯快不破，到了19世紀末，這幢物理學的摩天大樓也出現了一絲裂痕，科學家們發現牛頓定律雖放之四海而皆準，卻就是沒法應對一種速度極快的東西——光。
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對於光來說，最初人們自然地認為，它沒有速度可言，光是無限快的。人們聽到過山谷的回聲，知道聲音的速度是有限的，但是誰也沒有見到光有過慢半拍的表現，無論多遠，光總是瞬間必達，毫不遲疑。
但是天文學的新發現和電磁波理論的開創都證明了光速的確是有限的，而且可以精確地計算出這個速度差不多是每秒30萬公里，也就是一秒鐘能繞地球7圈半，如此高的速度，難怪肉眼無法察覺。
光速有限的發現讓人們對牛頓定律產生了疑惑，既然運動都是相對的，那這光速對於不同的人來說就應該是不一樣的啰，可所有精確的測量儀器都顯示出，無論觀測者怎樣運動，光速都是驚人的一致，分毫不差，這是怎麼回事呢？
於是，各種科學解釋紛紛湧現出來，似乎都有道理，但又都各有不能自圓其說之處。
直到1905年，在瑞士專利局工作的一名小職員，在業餘時間裡參與了這項討論，他提出了一種顛覆性的解釋——只要拋棄絕對時間的觀念，一切就都迎刃而解了。
他的意思是，光速本來就是用光走過的距離除以時間來計算的，牛頓定律告訴我們每個人都有自己的尺子，因此他們在光走過的距離上不會達成一致，那如果每個人也都有自己的時鐘，他們在時間上也沒有達成一致，用不同的距離除以不同的時間，結果正好一樣，這不就解釋了光速一致的問題了嗎？
這位小職員就是愛因斯坦，他提出的這個概念就是相對論。
發表相對論時的愛因斯坦還是個年輕小職員
這是個非同小可的理論。牛頓雖然顛覆了亞里士多德的絕對空間概念，但他們都相信時間是絕對的，只要都是足夠精確的瑞士手錶，帶在誰手上不都是一樣的走字嗎？時間的流逝難道還人人不同嗎？
「時間不是絕對的」，這聽起來的確很荒謬，再說這麼個年輕的業餘科學愛好者寫的論文，怎麼看怎麼民科，傳聞當時全世界贊同愛因斯坦的人不超過十個，其實也並不特別誇張。
根據相對論的推斷，物體的運動速度越快，它自帶的時鐘就走得越慢，只不過這個效應只有當速度十分接近光速時才比較明顯，因此對於遠低於光速的我們來說，對這一丁點時鐘的變化根本不會察覺。
但是如果腦洞大開一下，未來能夠開發出接近光速的宇宙飛船，那坐在裡面的人將會體會到「天上一日，地上一年」的神仙生活，看外面的萬物如快放鏡頭一般，那將會是一種無法言表的體驗。
根據相對論得出的很多推論都是非凡的，其中最知名的要數質能方程。
質能方程
愛因斯坦認為物體的質量和能量是可以相互轉化的，當物體運動越快，它的運動能量將會加到自身的質量上，這樣要再加速就更費勁了，當速度達到光速時，質量將會加到無限大，這就沒法再加速了，因此光速就是速度的極限，任何實質物體都只能低於光速運動。
這個著名的質能方程有著天使與魔鬼的雙重性格，它引出的一項成果足以讓人類毀滅自己，這就是原子彈。
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此時的相對論幾乎完美地解決了困擾牛頓定律的所有問題，但還差一項沒有囊括，那就是萬有引力。
根據牛頓的理論，只要有質量就會有引力，質量如果沒有了，引力就沒有了，如果此時太陽突然消失了，那地球瞬間就失去了太陽引力而停止公轉，可詭異的是，由於光速有限，我們還能看見太陽留在空中，直到8分鐘後才消失，這讓相對論很頭疼，不是說光速最快嗎？怎麼好像引力跑得比光還快呢？
這個缺憾讓愛因斯坦本人也很頭疼，極致的科學家都是完美主義者，他不希望如此美妙的理論對萬有引力卻無能為力。愛因斯坦花了很多年的時間來思考，也做了很多嘗試，終於在1915年，他找到了一種聽起來很玄幻的方法，將相對論擴展到包住了萬有引力，為了和之前的理論相區別，他將新理論稱之為「廣義相對論」，而將之前的稱為「狹義相對論」。
廣義相對論認為，引力其實不是一種力，只是質量能量引起的時空彎曲，這是完全依靠想像來構建的概念。
廣義相對論里的「時空彎曲」
愛因斯坦論文里天書一般的引力場方程的確是相當難理解的，此處我嘗試著盡量能講明白。
比如你在玩飛鏢遊戲，你扔出去的飛鏢會划出一條漂亮的拋物線，然後扎中靶心，實際上在飛鏢出手後會持續受到地球引力的作用而下墜，因此出手越慢就越要高拋弧線才能扎中靶心。
如果你用的是一把手槍，你只需要很低的拋物線就能打中靶心了，這是因為子彈速度要快很多，飛行過程中下墜得很少。
如果你用的是激光筆，你根本用不著拋物線，光會沿直線前進，這是因為光沒有實際質量，引力對它沒用，因此不會有任何下墜。
那如果把地球去掉呢？在沒有引力的太空呢？你會發現，無論用飛鏢、手槍還是激光筆，都不用拋物線，因為無論飛得快慢，都不會出現下墜了。
↑上述是用牛頓定律進行的理解。
↓下面換成廣義相對論的角度。注意這裡沒有引力了，但是要加入時間的維度。
在這裡出手後的飛鏢是沒有受到任何力的自由物體，因此它會做勻速直線運動，只不過是在四維時空中。
如果沒有地球，則四維時空是平坦的，飛鏢的勻速直線運動在三維空間看起來也是勻速直線運動，就好像太陽下的一把直尺，它在平坦地面上的影子還是直的。
如果加上地球，則四維時空會發生彎曲，飛鏢的勻速直線運動在三維空間看起來就變成拋物線了，就好像把同樣的直尺拿到高低起伏的地面上投影，影子也就變成彎彎曲曲的了。
這種四維時空的彎曲只和地球質量有關，無論用飛鏢、手槍還是激光筆，彎曲的路徑都是一樣的，只不過速度越快的物體，飛行時間越短，則總的彎曲影響程度越小，在三維空間中看就是拋物線更低了。
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四維時空可不是個容易理解的東西，還要再彎曲？真是覺得腦容量不夠用吧。現在拋開這些晦澀的概念，讓我們來看看廣義相對論到底想要幹什麼。
其實它就是換一種思路來理解引力，我們中學學習的萬有引力都是牛頓定律的描述，它非常準確，我們對於各種天體的運行軌道的測量基本都是通過牛頓定律計算的，但是卻融入不到愛因斯坦的狹義相對論中，沒辦法，只能另闢蹊徑，重新定義引力，雖然大費周折，但也得償所願。
牛頓定律認為引力是一種力，廣義相對論認為引力只是時空的彎曲，那到底誰是對的呢？這就需要實驗來給出判斷了。兩者對於天體運動規律的計算結果幾乎一模一樣，只是隨著計算越來越精確，人們發現的確還是廣義相對論更准一些。
廣義相對論還預言了光線偏轉、引力鐘慢、黑洞等等一系列神奇的現象，在此後的科學實驗中都一一被證實，最近的是2016年，廣義相對論預言的引力波被發現，最後一塊拼圖也被證實了，讓人們不禁對一百年前愛因斯坦的發現頂禮膜拜。
引力波
那麼問題來了，既然相對論是對的，那是不是牛頓定律就徹底被推翻了呢？唔，現實沒有這麼殘酷，雖然相對論更精確，但是在我們實際生活用到的各種物理計算中，牛頓定律的誤差實在是微乎其微。況且，相對論實在是太晦澀難懂了，嚴重影響了它的推廣性，於是，我們還是相信牛頓算了。
那這麼牛逼的理論難道只是紙上談兵，沒啥實用性嗎？也不是這樣，且不說它在宇宙學科中的作用，舉個生活中的例子，現在所有人在手機上用的GPS定位系統就是用相對論來計算的，畢竟衛星的速度還是比較快的，否則定位可能會偏好幾公里呢。不過，除此之外也確實沒啥值得一提的實際用途，汗……
相對論更大的價值在於科學的精神，雖然距離生活是如此遙遠，動不動就是幾億光年的距離，但是以廣袤的宇宙做實驗室，來驗證人類對未知的探索，這本身就很酷不是嗎？
再說了，這些天馬行空般的理論只是暫時不錯而已，科學都是可以證偽的，還有很多相對論也難以解釋的事情，說不定很快就會出現更神奇、更迷人、更偉大的科學理論呢。
我本人也恰逢36歲的本命年，在一個龐大的體系下做著螺絲釘一樣的科研工作，似乎一眼就能看透自己的未來。但每當我想到36歲時的愛因斯坦，想到那個懷抱單純科學興趣的小職員，總是倍受鼓舞——未來並不遙遠，但也並不那麼近，雖然時間對每個人都是公平的，但時間的內涵總是相對的，我擁有自己獨一無二的時間。
最後送你一枚彩蛋
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